Isomérie et isomères

Isoméries et isomères

Les isomères sont des composés présentant la même formule brute mais cependant tous différent entre eux.
Ces différences sont liées à plusieurs facteurs dont l’ordre, la nature des liaisons entre atomes ainsi que la disposition des atomes dans l’espace et les propriétés chimiques ou physique de ces atomes.


3-Isomeries de constitution

Les isomères de constitution ont même formule brute, mais différent par l’ordre ou la nature des liaisons .

Leurs formules développées sont différentes.

Les isomères de constitution ont des propriétés physique et chimique différentes et peuvent être facilement séparées.

Nous avons trois types d’ isoméries que nous étudierons par la suite.

3. 1.1.ISOMERIES DE CHAINE

L’isomérie de chaine désigne les isomères qui différent par leurs chaines carbonée (squelette).

Ces isomères sont caractérisés par leurs propriétés chimiques identiques et propriétés physique différents.

Exemples:

3. 1.2. ISOMERIES DE POSITION

Les isomères de position sont des composés qui différent par la position du groupement fonctionnel.
De même qu’elles possèdent des propriétés physiques ;spectroscopiques et chimiques très différentes.



EXEMPLES :
Considérons les alcools linéaires comportant quatre atomes de carbone.
Le groupement hydroxy peut se trouver en position 1 (le butanol) et en position 2 (le butan-2-ol).
Ces deux composés sont des isomères de position car le groupement fonctionnel occupe des positions différentes sur le squelette carboné.

3.1.3.ISOMERIES DE FONCTION
L’isomérie de fonction encore appelé isomérie de squelette met en
jeu la différence du substituant alkyle entre deux molécules .

Butènes: C4H8 : CH3-CH=CH-CH3 2-butène

CH2=CH-CH2-CH3 1-butène

(CH3)2C=CH2 2-méthyl propène

alcools: C3H8O : CH3 -CH2-CH2 OH 1-propanol

CH3 -CH(OH)- CH3 2- propanol

3.2.STEREOISOMERIE DE CONFIGURATION

Des stéréoisomères de configuration ont la même formule développée et ne différent que par l’arrangement des atomes dans l’espace. Contrairement aux stéréoisomères de conformation , le passage d’un stéréoisomères de configuration a un autre nécessite la rupture de liaisons, et donc le franchissement d’une barrière d’ énergie potentielle relativement élevée : des stéréoisomères de configuration sont isolables. Pour pouvoir distinguer les stéréoisoères de configuration et les nommer en fonction de l’arrangement des atomes dans l’espace, il est nécessaire de pouvoir classer les substituants liés a un carbone central.

3.2.1.Quelques définitions
-Notion de carbone asymétrique
Un carbone asymétrique est un carbone hybridé sp3 dont il est rattaché a quatre substituants différents. On dit encore qu’il est tétraédrique et il est noté C* .
Remarque :
Il ne peut y avoir que deux façons différentes de disposées les substituants autour d un carbone asymétrique .Afin que les deux molécules puissent être image l’une de l’autre dans un miroir

.Exemples :

3.2.2.DEFINITION DE LA CONFIGURATION ABSOLUE R ET S
Autour d’un carbone asymétrique les substituants qui lui sont rattachés sont placés par ordre séquentielles décroissant.

.METHODES :
1 :On met la molécule en projection de Newman
2 :On choisit l’ axe d’observation dont elle relie le plus petit groupement de la molécule ainsi que le carbone asymétrique.
3 :on regarde le sens de rotation de la molécule
4 :si le sens de rotation est le sens d’une aiguille d’ une montre on dit que nous avons une représentation rectus qu’on note R.
5 :si le sens de rotation est dans le sens inverse d’une aiguille d’une montre.On dit que nous avons une représentation sinister (S)
Les configurations R et S sont dites configurations absolues de molécules concernées.

Comment connaître le plus petit groupement fonctionnel du carbone asymétrique ?
On utilise pour cela la règle de CIP ( CAHN, INGOLD ,PRELOG)

REGLE 1 :La priorités des groupements augmente avec le numéro atomique Z de l’ atome du substituant lié au carbone central.
EXEMPLE :

REGLE 2 :Si l’atome central est lié a deux atomes identiques, on regarde les substituants au rang suivant.
EXEMPLES

REGLE 3 :Cas des liaisons multiples :une liaison multiple avec un atome est considérée comme autant de liaisons simples avec cet atome.
EXEMPLES :


3.2.3.STEREOISOMERIE DE CONFIGURATION DE TYPE OPTIQUE

ISOMERIE DE CONFIGURATION ABSOLUE R ET S
Cette isomérie est due au fait que la molécule présente dans sa structure spatiale un carbone asymétrique.
Pour un carbone asymétrique il ne peut y avoir que deux isomères de configuration absolue dont l’un se trouvant être S et l’autre R .
REMARQUE ;
1-Une molécule présentant deux carbones asymétrique possède quatre isomères de configuration absolue .
(SS, RR,SR,RS)
2-Une molécule présentant n carbones asymétriques possède 2^n isoméries de configuration absolue.
EXEMPLES :

3.2.4. ISOMERIE DE CONFIGURATION ERYTHRO-THREO

La molécule présente sur ses carbones asymétriques deux groupements. En projection de NEWMAN suivant l’axe c*-c*( axe de carbone asymétrique) de cette molécule les groupements se trouve l’un derrière l’ autre on parle d’isomérie de configuration érythro.
Dans le cas ou les groupements de même nature ne trouve pas l’ un derrière l’autre on parle d’isomérie de configuration thréo.

REMARQUE :Toute présence d’un plan de symétrie au sein de la formule développée d’une molécule abaisse le nombre de stéréoisoméres.

EXEMPLES :













3.2.5.STEREOISOMERIE DE CONFIGURATION DE TYPE GEOMETRIQUE

ISOMERIE DE CONFIGURATION Z/E
Les rotations autour d’une liaison carbone sont impossible ,la position des substituants des deux carbones doublement liés est donc fixe.
Dans le cas de carbones portant deux substituants différents, il en résulte deux géométries.
Pour distinguer ces deux molécules, on classe les deux substituants portés par chaque carbone selon les règles de CIP.
Si les deux groupements prioritaires sont du même coté ,la molécule est nommée Z (zusammen ,en allemand « ensemble »).
Si les deux groupements prioritaires sont de part et d’autre de la double liaison, la molécule est nommée E (entgegen, en allemand « opposé »).
EXEMPLES :


3.2.6.RELATION D ENANTIOMERIE

NOTION DE CHIRALITE

Une molécule chirale est une molécule non superposable à son image dans un miroir plan .
Elle ne possède ni de plan ni axe de symétrie.
Les molécules chirales existent sous forme de deux énantiomères :deux molécules images l’une de l’autre dans un miroir et non superposables.
Deux énantiomères possèdent les mêmes propriétés physiques et chimiques a l’exception de leur pouvoir rotatoire.
Une molécule possédant un et un seul carbone asymétrique est chirale.
EXEMPLES :















ATTENTION !
La présence de carbones asymétriques n’est ni une condition nécessaire ni une condition suffisante a la chiralité.
Il existe des molécules chirales ne possédant pas de carbones asymétrique (par exemple les allénes) et des molécules possédant plusieurs carbones asymétriques et pourtant achirales : c’est le cas des molécules méso.

Pour passer d’un énantiomères à l’autre, il faut changer la configuration absolue de tous les centres asymétriques.

ACTIVITE OPTIQUE

Les molécules chirales sont optiquement actives :elles ont la propriété de faire tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée : lorsqu’une lumière polarisée rectilignement traverse une cuve de longueur l contenant une substance chirale en solution dans un solvant achirale à la concentration massique t le plan de polarisation est dévié d’un angle alpha appelé pouvoir rotatoire . la valeur de alpha est donnée par la loi de biot : . = [alpha]d t l

Alpha est le pouvoir rotatoire en ° (rad) t le titre (ou concentration) massique en g.cm-3 (kg.m_3) l la longueur de la cuve en dm (m) et [alpha] d le pouvoir rotatoire spécifique de la substance en°.dm-1.g-1.cm3 (rad.kg-1.m2)
Une molécule est optiquement active si et seulement si elle est chirale. Le pouvoir rotatoire spécifique est une grandeur caractéristique de la substance il dépend de la température et de la longueur d’onde de la lumière utilisée.
Deux énantiomères ont des pouvoirs rotatoires spécifiques opposés. Une substance qui dévie un polarisation vers la droite (lorsqu’on regarde en direction de la source ) est dite dextrogyre une substance qui dévie le plan de polarisation vers la gauche est dite lévogyre. Un mélange racémique est un mélange équimolaire de deux énantiomères un tel mélange est optiquement inactif. Il n’existe aucune relation entre le signe du pouvoir rotatoire et la configuration absolus du ou des carbones de la molécule ou la série en fischer.

3.2.7.RELATION DE DIASTEREOISOMERIE
La diastéréoisomérie est la relation existant entre deux stéréoisomères de configuration qui ne sont pas énantiomères.
Deux diastéréoisoméres ont des propriétés chimiques ,physiques et optiqueq différentes.
Ils peuvent etre séparés par distillation , cristallisation, chromatographie , contrairement a deux énantioméres.

DIASTEREOISOMERIE Z/E
Deux alcènes Z et E ont même formule semi-développée mais des structures spatiales différente,ce sont des stéréoisomères.
Pour passer d’une structure a l’autre , il faut rompre la double liaison , ce sont des stéréoisomères de configuration. Ils ne st pas image l’un de l’ autre dans un miroir ,ce ne sont pas des énantiomères, il s’agit donc dénantiomères.

EXEMPLES :








3.3.1.STEREOISOMERIE DE CONFORMATION
Une liaison simple carbone-carbone est libre de tourner, les substituants liés a ces carbones sont donc susceptibles d’occuper des positions différentes les uns par rapport aux autres.
On appelle stéréoisomérie de conformation la relation existant entre deux structures se déduisant l’une de l’autre par rotation autour d’une liaison simple. Le passage d’un conformère a un autre ne nécessite pas la rupture d’une liaison, la barrière d’énergie potentielle a franchir est en général faible .C’est pourquoi, a température ambiante ,deux conformères ne sont généralement pas séparables.


3.3.2.CONFORMATIONS DES MOLECULES LINEAIRES

On appelle conformères ou stéréoisomères de conformation ,deux structures qui découlent l’une de l’ autre par une rotation autour d’une liaison simple .La plus ou moins grande stabilité d’une conformation par rapport a une autre dépend des gênes stériques existant entre les différents atomes de la molécule : la conformation est d’autant plus stable que les atomes sont éloignés. Cependant ,la barrière énergétique entre les différents conformères d’une même molécule est le plus souvent faible. Les conformères sont donc en équilibre et non séparables à température ambiante. La séparation de certains conformères est parfois possible a très basse température.
EXEMPLE : CAS DE L ETHANE








3.3.3.CONFORMATION DES CYCLES A SIX ATOMES
De très nombreuses molécules organiques sont cycliques et les cycles à six carbones sont de loin les plus fréquents.

CAS DE LA MOLECULE DE CYCLOHEXANE
Le cyclohexane est un alcane cyclique à six atomes de carbone :
Dans cette molécule, chaque carbone est tétravalent et tend à adopter une géométrie tétraédrique. Du fait des rotations autour des liaisons carbone-carbone, la molécule peut adopter plusieurs conformations dont la plus stable est dite conformation chaise .

.Représentation en perspective du cyclohexane en conformation chaise


Dans cette conformation, les carbones 2,3,5,et 6 sont situés dans un même plan, le carbone 1 est au-dessus de ce plan et le carbone4 en dessous. Pour la représenter, on respecte les règles suivantes :

-Chacune des six liaisons carbone-carbone est représentée par un trait plein ;
-Les carbones 5 et 6 sont respectivement représentés en dessous des carbones 2 et 3, les carbones 2 et 6 sont plus bas que les carbones 3 et 5
-Les liaisons carbone-carbone sont parallèles deux a deux .

.Représentation des liaisons axiales

Les liaisons axiales sont représentées verticalement :

-sur les carbones 1,3, 5, les liaisons axiales pointent vers le haut , sur les carbones 2,4 et 6 , les liaisons pointent vers le bas.

Représentation des liaisons équatoriales

Les liaisons équatoriales sont parallèles aux liaisons carbone-carbone : la liaison équatoriale portée par le carbone1 est parallèle à la liaison C2-C3 (ou C6-C1) , la liaison équatoriale portée par le carbone 2 est parallèle à la liaison C4-C3 (ou C6-C1).
Pour chaque carbone, si la liaison axiale est montante , la liaison équatoriale est descendante.

Remarque :
Il existe un autre type de conformation qu’on appelle conformation bateau.